羅睿,黃凱
(重慶市勘測(cè)院,重慶 401121)
黨的十八大以來(lái),黨中央站在戰(zhàn)略和全局的高度,對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出一系列新思想、新論斷、新要求,為努力建設(shè)美麗中國(guó),實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展,走向社會(huì)主義生態(tài)文明新時(shí)代,指明了前進(jìn)方向和實(shí)現(xiàn)路徑。推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè),建設(shè)美麗中國(guó),對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式和方法提出了更高要求。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,以協(xié)同工作和信息集成為目標(biāo)的建筑信息模型(BIM)在工程設(shè)計(jì)中正逐步得到推廣應(yīng)用。但BIM技術(shù)主要應(yīng)用在單個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、管理中,其核心特點(diǎn)為單體精細(xì)化模型,對(duì)道路、建筑周邊宏觀的地理環(huán)境因素的影響考慮不足。地理信息系統(tǒng)(GIS)一直致力于宏觀地理環(huán)境的研究,提供各種空間查詢和空間分析的功能[1]。隨著跨領(lǐng)域信息集成研究的深入,GIS與BIM技術(shù)的集成能夠克服BIM技術(shù)對(duì)外部宏觀環(huán)境把握不足的缺點(diǎn)。GIS與BIM跨領(lǐng)域信息集成研究受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。
陳光[2]等提出以CityGML標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),研究建立了擴(kuò)展道路設(shè)計(jì)模型,支持道路BIM設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)與三維GIS模型數(shù)據(jù)的集成存儲(chǔ)和表達(dá)。王樹(shù)臣[3]等對(duì)BIM和GIS的通用數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)IFC和CityGML兩者在數(shù)據(jù)表達(dá)中的差異進(jìn)行了對(duì)比分析,并對(duì)BIM與GIS集成技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。薛梅[4]等針對(duì)全生命周期管理應(yīng)用的需求,提出了CAD/GIS/BIM在線集成框架,通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證了技術(shù)框架的可行性。何興富[5]的研究結(jié)果顯示云計(jì)算可顯著降低當(dāng)前地理信息服務(wù)的重復(fù)投入和維護(hù)成本,提升GIS應(yīng)用搭建和部署的效率。劉釗[6]等分析了基于三維GIS的道路工程快速建模可行性,提出了“分隔-歸并”的思想,首先利用道路模型對(duì)原始地形進(jìn)行調(diào)整并拼合成新的地形模型,再依次向新構(gòu)建三維場(chǎng)景中加載影像數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物模型等。
本文分析了基于BIM技術(shù)路網(wǎng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與不足,結(jié)合GIS的特點(diǎn)分析了GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì),建立了GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)框架體系。最后以重慶市江北區(qū)唐桂新城為工程案例進(jìn)行應(yīng)用分析,結(jié)果顯示,該方法具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,提高了城市路網(wǎng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性,降低了工程建設(shè)對(duì)生態(tài)與環(huán)境的影響。
基于BIM技術(shù)的道路設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)表現(xiàn)在三個(gè)方面:
(1)可視化建模。通過(guò)建立虛擬的工程三維模型,利用數(shù)字化技術(shù),為模型提供完整的、與實(shí)際情況相一致的工程信息庫(kù)。將以往的線條式的構(gòu)件形成三維立體實(shí)物展示,建立道路主線、立交、橋梁、隧道及其附屬結(jié)構(gòu)物、景觀等要素三維模型。項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程的溝通、交流、決策都可在可視化狀態(tài)下進(jìn)行。
(2)提高了各階段的設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過(guò)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、沖突分析、實(shí)景模擬等,減少設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤率和返工率,增強(qiáng)了設(shè)計(jì)方案對(duì)地形特征的針對(duì)性。
(3)增加了各專業(yè)的協(xié)同。道路工程是多專業(yè)相互配合的,在BIM系統(tǒng)的搭建過(guò)程中,各個(gè)專業(yè)可以共同建立、使用、豐富平臺(tái),協(xié)同設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)[7]。
基于BIM技術(shù)的路網(wǎng)設(shè)計(jì)的不足:
BIM技術(shù)主要應(yīng)用在單個(gè)道路工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、管理中,其核心特點(diǎn)為單體精細(xì)化模型,對(duì)道路、建筑周邊宏觀的地理環(huán)境因素的影響考慮不足。
片區(qū)路網(wǎng)設(shè)計(jì)、新區(qū)建設(shè)等與大范圍的沿線地形、地質(zhì)、景觀及建成區(qū)現(xiàn)狀等關(guān)系密切。在山地城市中大范圍的路網(wǎng)設(shè)計(jì),針對(duì)山地城市復(fù)雜的地形、水系、立體交通等特征,單一的BIM技術(shù)難以對(duì)外部地理信息進(jìn)行全面的分析,設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度和科學(xué)性難以保證。
GIS技術(shù)通過(guò)三維建模展現(xiàn)項(xiàng)目的地理位置和外部環(huán)境,通過(guò)對(duì)海量地理空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、保存、管理、分析,能夠真實(shí)呈現(xiàn)大范圍的地理空間。GIS技術(shù)不僅可以有效地管理具有空間屬性的各類環(huán)境資源信息,對(duì)資源環(huán)境管理和實(shí)踐模式進(jìn)行快速和重復(fù)的分析測(cè)試,便于制定決策、進(jìn)行科學(xué)和準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)。目前已廣泛應(yīng)用在資源調(diào)查、環(huán)境評(píng)估、災(zāi)害預(yù)測(cè)、國(guó)土管理、城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域。
將GIS與BIM技術(shù)集成與各自單獨(dú)應(yīng)用相比,在建模質(zhì)量、分析精度、決策效率、成本控制水平等方面均有明顯提高。路網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)與山體、水體、場(chǎng)地等關(guān)系密切,對(duì)保護(hù)現(xiàn)狀自然環(huán)境,打造環(huán)境友好、美麗山水的城市具有重要意義。將GIS-BIM技術(shù)應(yīng)用在路網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的主要優(yōu)勢(shì)有:
(1)克服BIM技術(shù)對(duì)外部宏觀環(huán)境把握不足的缺點(diǎn)。GIS通過(guò)構(gòu)建高精度虛擬地理環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了多維、多尺度、多設(shè)計(jì)對(duì)象三維精細(xì)化表達(dá)及高效集成。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀地形、道路、場(chǎng)地、水系、景觀等空間對(duì)象的三維精細(xì)化表達(dá)。解決傳統(tǒng)平面圖在豎向銜接、立體關(guān)系上表達(dá)較弱的問(wèn)題??奢o助城市新區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)全過(guò)程,對(duì)建設(shè)高品質(zhì)城市新區(qū)具有重要意義。
(2)實(shí)現(xiàn)三維地理環(huán)境下設(shè)計(jì)方案草繪、模擬、調(diào)整、評(píng)估、優(yōu)化全過(guò)程服務(wù)。實(shí)現(xiàn)道路、場(chǎng)地、水體等對(duì)象的快速建模、評(píng)估與反饋,通過(guò)多次優(yōu)化降低路網(wǎng)土石方工程量和總體工程規(guī)模,節(jié)約建設(shè)投資。
(3)解決了傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作交互性差、方案比選效率低、無(wú)法開(kāi)展動(dòng)態(tài)分析等問(wèn)題,在GIS-BIM集成模型使用過(guò)程中保持?jǐn)?shù)據(jù)源文件的位置相對(duì)穩(wěn)定,已經(jīng)生成的三維場(chǎng)景文件被保存在工作空間中,直到打開(kāi)場(chǎng)景時(shí)才調(diào)用數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)發(fā)生變動(dòng)時(shí),只需更換變動(dòng)部分的數(shù)據(jù)文件,無(wú)須對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行重建,有效提高建模速度和效率。
GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路為“模擬-評(píng)估-反饋-優(yōu)化”的漸進(jìn)式優(yōu)化過(guò)程,通過(guò)反復(fù)推敲設(shè)計(jì)成果的合理性,最終促成設(shè)計(jì)成果的落地。GIS高精度地理環(huán)境和BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)模擬構(gòu)建漸進(jìn)式規(guī)劃設(shè)計(jì)流程,提高了片區(qū)路網(wǎng)設(shè)計(jì)整體協(xié)同性。GIS-BIM動(dòng)態(tài)路網(wǎng)上設(shè)計(jì)優(yōu)化的流程如下:
(1)高精度三維地形模型建立
道路邊坡馬道平臺(tái)、路緣石、路邊石等細(xì)部設(shè)計(jì)成果必須使用平面精度和垂直精度都大于1m的DEM進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)采集或獲取片區(qū)范圍的現(xiàn)狀影像、數(shù)字高程模型、 1∶500地形圖等地形資料,建立集景三維地形模型平臺(tái),融合形成高精度的現(xiàn)狀三維地形模型成果。三維場(chǎng)景的地形數(shù)據(jù)DEM柵格數(shù)據(jù)的生成有兩種方法,一是先生成三角網(wǎng)TIN(Triangulated Irregular Network)再轉(zhuǎn)為DEM;另一種是由點(diǎn)線面數(shù)據(jù)直接生成DEM。前者的精度更高,本研究采用基于TIN的高精度數(shù)字地形模型構(gòu)建。該地形成果是對(duì)現(xiàn)狀地形地貌的真實(shí)還原,能夠代表山勢(shì)起伏,作為規(guī)劃設(shè)計(jì)的“底板”。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高程、坡度、坡向、等高線等分析,通過(guò)圖層疊加、透視、剖切、專題圖渲染等方式,實(shí)現(xiàn)虛擬地理環(huán)境的多角度展示與表達(dá),為片區(qū)規(guī)劃研究、豎向設(shè)計(jì)、路網(wǎng)優(yōu)化提供了地形基礎(chǔ)[8]。
(2)規(guī)劃資料整合分析
在BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行規(guī)劃路網(wǎng)方案的平面線形設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)、橫斷面裝配設(shè)計(jì)、橋梁、隧道、立交等三維道路設(shè)計(jì)模型制作,實(shí)現(xiàn)市政設(shè)計(jì)成果的三維可視化。將道路設(shè)計(jì)文件導(dǎo)入集景三維地理設(shè)計(jì)平臺(tái)中,在三維可視化的基礎(chǔ)上,結(jié)合平臺(tái)的GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型的外部環(huán)境分析功能。并在平臺(tái)中疊加水系規(guī)劃、用地規(guī)劃等規(guī)劃資料,平臺(tái)可直觀展示規(guī)劃路網(wǎng)與現(xiàn)狀山體、湖泊等自然景觀的關(guān)系,設(shè)計(jì)人員可根據(jù)三維模擬結(jié)果判斷道路是否存在大填大挖,是否存在大型構(gòu)筑物。
(3)路網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整
結(jié)合三維模擬結(jié)果,對(duì)道路選線進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,優(yōu)化道路平面、縱斷面、交叉口形式,減少隧道工程、橋梁工程、支擋結(jié)構(gòu)工程,降低片區(qū)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。協(xié)調(diào)好城市路網(wǎng)、湖泊水系、城市綠地與保留大型山體、水體,減少對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的破壞。
(4)土石方工程計(jì)算
對(duì)項(xiàng)目研究范圍內(nèi),豎向進(jìn)行全局把控,利用三維地理設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行道路、場(chǎng)地土石方快速計(jì)算,減少道路和場(chǎng)地平整土石方,合理調(diào)配土石方。結(jié)合道路建設(shè)時(shí)序和周邊地塊開(kāi)發(fā),預(yù)先選好棄土場(chǎng),降低后期開(kāi)發(fā)成本。
(5)綜合分析與評(píng)價(jià)
通過(guò)漸進(jìn)式的優(yōu)化流程,逐步優(yōu)化道路設(shè)計(jì)方案。綜合評(píng)價(jià)方案的經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性、合理性。
唐桂新城地處重慶兩江新區(qū)發(fā)展核心區(qū)、江北區(qū)中段,如圖1所示,是重慶主城區(qū)的東水門(mén)戶,是江北區(qū)“十三五”期間的主要發(fā)展區(qū)域,規(guī)劃面積約 8.1 km2。根據(jù)唐桂新城最新2018版土地利用規(guī)劃及2014版道路交通規(guī)劃,片區(qū)用地規(guī)劃與交通規(guī)劃存在差異,道路交通體系不健全,路網(wǎng)系統(tǒng)有待深化。
圖1 項(xiàng)目區(qū)位
唐桂片區(qū)位于城市發(fā)展新區(qū),其中片區(qū)核心區(qū)域位于棟梁半島,區(qū)內(nèi)有兩岔河、棟梁河兩條河流,區(qū)域高差超過(guò) 100 m,具有地形起伏大、水域多、地貌條件復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度大的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)有渝長(zhǎng)高速、渝長(zhǎng)高速?gòu)?fù)線、渝懷鐵路及其復(fù)線、渝利鐵路聯(lián)絡(luò)線以及2條軌道交通,控制條件較多。
本項(xiàng)目采用無(wú)人機(jī)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行低空航空攝影,采用航空攝影測(cè)量的方法進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量、空中三角測(cè)量、立體采集、單片糾正等步驟生產(chǎn)高精度數(shù)字正射影像圖和數(shù)字高程模型,集成得到地形三維模型數(shù)據(jù)。建立基于GIS的三維實(shí)景地形地貌如圖2所示:
圖2 三維實(shí)景地形
本次研究區(qū)域?yàn)闃?gòu)造剝蝕丘陵地貌,總體呈現(xiàn)東高西低、北高南低。其中棟梁半島片區(qū)受棟梁河、兩岔河分割,呈現(xiàn)三個(gè)臺(tái)地的地形特點(diǎn)。最高點(diǎn)海拔高度約 335.3 m,最低點(diǎn)海拔高度約 160.2 m,相對(duì)高差 175.1 m。
既有路網(wǎng)規(guī)劃與地形結(jié)合較差,有待進(jìn)一步優(yōu)化。項(xiàng)目范圍內(nèi)規(guī)劃道路長(zhǎng)度總計(jì) 54.68 km,其中主干路 7.45 km,次干路 19.2 km,支路 28.03 km。規(guī)劃地塊共計(jì)93塊。根據(jù)地形特點(diǎn),道路主要沿等高線、河道布設(shè),呈自由式網(wǎng)絡(luò),如圖3所示。將規(guī)劃方案的道路設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入集成周邊GIS信息的三維模型中,分析路網(wǎng)與外部環(huán)境的相互關(guān)系。
圖3 基于GIS-BIM技術(shù)的規(guī)劃路網(wǎng)分析圖
由規(guī)劃路網(wǎng)方案三維模擬可以看出道路整體呈現(xiàn)大填方的特征,對(duì)區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀河流兩岔河、棟梁河影響較大,自然放坡進(jìn)入河道保護(hù)范圍線。規(guī)劃路網(wǎng)方案在道路平、縱兩個(gè)方面存在以下問(wèn)題:
(1)平面存在的問(wèn)題:
①平面線位不合理。部分道路線位與地形結(jié)合差,形成大填大挖,對(duì)現(xiàn)狀山地破壞較大。部分交叉口設(shè)計(jì)在河道保護(hù)范圍線內(nèi)。
②規(guī)劃線位與現(xiàn)狀存在明顯沖突,如桂花灣片區(qū)北側(cè),跨棟梁河次干路與現(xiàn)狀鐵路橋墩存在沖突。
③規(guī)劃道路與現(xiàn)狀地塊高差大,道路對(duì)地塊的服務(wù)功能差。
(2)縱段面存在的問(wèn)題:
①交叉口標(biāo)高不合理。規(guī)劃高程與地形結(jié)合差,填挖大。
②與水系高差大。棟梁河兩側(cè)道路規(guī)劃高程與水系高差大,支擋結(jié)構(gòu)、填方邊坡高度過(guò)大。三維模擬分析結(jié)果顯示道路放坡侵入河道,如圖4所示。
圖4 規(guī)劃方案與河道關(guān)系圖
③縱坡超限??匾?guī)方案未嚴(yán)格控制交叉口和道路縱坡,超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范值,存在安全隱患。
使用GIS-BIM技術(shù)對(duì)現(xiàn)狀地形進(jìn)行分析,確定整個(gè)地形高程變化的特征。結(jié)合山體、河道、鐵路、高速公路等限制條件,將區(qū)域場(chǎng)地進(jìn)行重塑,降低全線濱河路標(biāo)高,局部由平面交叉改為分離式交叉,重塑路網(wǎng)脈絡(luò)。由于區(qū)域內(nèi)地形地貌起伏較大,規(guī)劃方案存在較多大填大挖現(xiàn)象。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)集成現(xiàn)狀地理信息GIS與道路等建構(gòu)筑物信息BIM,直觀展示分析存在的矛盾并提供合理的優(yōu)化解決思路。
綜合以上分析,本次優(yōu)化設(shè)計(jì)從以下三個(gè)方面進(jìn)行:
(1)優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)
結(jié)合現(xiàn)狀地形,減少大填大挖、避免與現(xiàn)狀鐵路橋墩等沖突,減少對(duì)現(xiàn)狀水系的破壞。規(guī)劃中道路總計(jì)37條,本次共計(jì)優(yōu)化道路平面線形12條,取消道路5條,增加道路5條。
(2)優(yōu)化道路豎向及交叉口
結(jié)合三維地形模型動(dòng)態(tài)優(yōu)化交叉口高程,以棟梁河、兩岔河、渝長(zhǎng)高速、渝懷鐵路等為關(guān)鍵控制因素,統(tǒng)籌考慮與相交道路的關(guān)系,本次共計(jì)優(yōu)化25處交叉口。在滿足區(qū)域交通功能轉(zhuǎn)換的前提下,將對(duì)棟梁河兩岸部分交叉口由平面交叉改為分離式交叉口,降低濱河路的平均高程,減少道路填方高度,減少邊坡及支擋結(jié)構(gòu)對(duì)河道的影響,優(yōu)化后方案與河道關(guān)系圖如圖5所示。
圖5 優(yōu)化后方案與河道關(guān)系圖
(3)優(yōu)化土石方工程量
統(tǒng)籌道路工程土石方和周邊地塊場(chǎng)平土石方工程量?;诘缆吩O(shè)計(jì)高程進(jìn)行場(chǎng)地平土石方測(cè)算。本次對(duì)唐桂新城47條道路進(jìn)行道路土石方測(cè)算,結(jié)合道路豎向設(shè)計(jì)高程,對(duì)唐桂新城35個(gè)地塊進(jìn)行豎向設(shè)計(jì),優(yōu)化后地塊場(chǎng)平計(jì)算圖如圖6所示。
圖6 優(yōu)化后地塊場(chǎng)平計(jì)算圖
優(yōu)化后路網(wǎng)與地形結(jié)合更優(yōu),濱河路親水性更佳。沿河地帶景觀品質(zhì)得到大幅提升。山體、水系自然景觀得到保護(hù),避免大填大挖,實(shí)現(xiàn)了“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。優(yōu)化后的豎向設(shè)計(jì)為打造高品質(zhì)城市建設(shè)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件,工程建安投資大幅優(yōu)化。
(1)土石方工程。道路土石方由原控規(guī)的挖方917萬(wàn)方優(yōu)化為681萬(wàn)方,減少挖方236萬(wàn)方;填方由原控規(guī)的 2 436萬(wàn)方優(yōu)化為462萬(wàn)方,減少填方 1 974萬(wàn)方。
(2)結(jié)構(gòu)工程。減少濱河路沿岸支擋結(jié)構(gòu) 3.5 km,約32.6萬(wàn)方;增加橋梁長(zhǎng)度 450 m,增加道路長(zhǎng)度 1 020 m。
節(jié)約建安投資約5.67億元,經(jīng)濟(jì)效益明顯。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,三維可視化技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域扮演了越來(lái)越重要的角色。本文提出了基于GIS的BIM技術(shù)的路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,GIS技術(shù)提供整個(gè)空間的三維可視化分析,極大地改善了BIM技術(shù)對(duì)外部環(huán)境信息分析不足的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)從微觀到宏觀的三維框架體系,通過(guò)整合研究區(qū)域的三維地形模型,集成路網(wǎng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件,提出了“模擬-評(píng)估-反饋-優(yōu)化”的漸進(jìn)式優(yōu)化思路。最后以重慶市江北區(qū)唐桂新城路網(wǎng)優(yōu)化為工程案例,驗(yàn)證了該方法的可實(shí)施性和科學(xué)性,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益,踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。